通信の流れ

前回は同一ネットワーク内での通信について学習しました。

「MACアドレス」や「スイッチングハブ」という重要単語も出てきましたが、まだ理解は不十分かと思います。

そこで今回は、ネットワークインターフェース層における通信の流れについて学習をしていきます。

それでは、通信の流れについて学習をしていきましょう。

1.ARPテーブルを見て相手のMACアドレスを調べる

通信相手が特定されており、そのIPアドレスがわかっている状況の場合、このIPアドレスをもとに、次の段階で通信のためのMACアドレスを取得する必要があります。

自分のPCには「ARPテーブル」が存在しています。そこにはIPアドレスとMACアドレスの対応が保存されています。

※ARPテーブルは、PCやネットワーク機器が保持しているIPアドレスとMACアドレスの対応表です。
これは、ネットワークインターフェース層での通信を迅速に行うために必要で、各IPアドレスに対するMACアドレスの情報をキャッシュとして保持しています。
このキャッシュは一定時間ごとに更新され、古くなったエントリは削除されます。これにより、同じネットワーク内で頻繁に通信を行うノードとのやり取りが効率化されます。

まず、PCは通信相手のMACアドレスを得るために、現在のARPテーブルを確認します。

もし、既に通信相手のIPアドレスに対応するMACアドレスがARPテーブル内に登録されている場合、そのMACアドレスを使用して通信を続けます。

2.すべてのノードに対してMACアドレスを問い合わせる

もしARPテーブルに目的のIPアドレスが見つからなかった場合、PCは「ARPリクエスト」をブロードキャストします。

※ブロードキャストとは、ネットワーク内で特定のメッセージを全てのノードに向けて送信することです。
この手法では、同じネットワーク上のすべてのノードがそのメッセージを受信します。ブロードキャストはルータを超えることはできません。

送信元のPC（図の右上のPC）は以下のようなパケットを作成します（一部）。

送信元のMACアドレスとIPアドレスは自分自身の情報ですから当然わかっています。わからないのは相手のMACアドレスだけです。そのため相手のMACアドレス以外の値はセットすることができています。唯一わからなかった相手のMACアドレスだけはオール０にしておきます。オール0はブロードキャストを意味します。

スイッチングハブがこのパケットを受け取ります。スイッチングハブはパケットに格納されている「送信元MACアドレス」「送信元IPアドレス」を見て、そのPC（今回は4番のポートに接続されています）のポート番号とMACアドレスをMACアドレステーブルに記録します。

これで４番ポートに接続されているノードのMACアドレスが保存されたことになります。この情報は後で説明するユニキャストで使われることになります。

宛先MACアドレスはオール0であるため、スイッチングハブはブロードキャストであることを認識します。そしてすべてのポートからパケットを送り出します。これは「このIPアドレスに対応するMACアドレスを持っているノードは誰ですか？」というメッセージです。

具体的に言うと、たとえばオフィス内のLANネットワークでPCがプリンタのMACアドレスを知る必要がある場合を考えてみましょう。

PCは、全てのノードに対して「このIPアドレスに対応するMACアドレスを教えてください」とリクエストを送信します。

このブロードキャストは、オフィス内のネットワークに接続されている全てのノードに届きます。相手のMACアドレス欄が空（0:0:0:0:0:0）になっているので、わからないから全体に聞くというわけですね。

3.MACアドレスを返答する

ネットワーク内の各ノードは、このパケットを受け取ると、自分のIPアドレスとパケット内のIPアドレスを比較します。一致しないIPアドレスをもつノードは、受け取ったパケットを破棄します。

一致したノード、つまり「192.168.1.102」を持つノードのみがARPリプライを返すことになります。さっきの「やっほー」に対して手を挙げるイメージですね。このARPリプライはユニキャストで送信されます。

※ユニキャストは、特定の1台のノードに向けてメッセージを送信する通信方式です。
ARPリクエストによって目的のノードのMACアドレスがわかった後、PCはそのMACアドレスを使って特定の相手に直接フレームを送信します。
たとえば、PCがプリンタに印刷データを送る際には、そのMACアドレスを使ってプリンタにのみフレームを送ります。
このような1対1の通信がユニキャストです。
ユニキャストの利点は、ブロードキャストとは異なり、ネットワーク内の他のノードには全く影響を与えないことです。
つまり、余計な通信が発生せず、必要なフレームだけが目的のノードに届けられます。
このため、ユニキャストは効率的で、他のネットワーク資源を消費せずに特定のノードに確実にフレームを送ることができる方法です。

ARPリプライでは、プリンタが自分のMACアドレスを教えるために新たにパケットを作ります。

プリンタ側から見ると送信元MACアドレスは「AB:CD:EF:01:23:45」で、送信元IPアドレスは「192.168.1.102」とです。宛先MACアドレスは「00:1A:2B:3C:4D:5E」、宛先IPアドレスは「192.168.1.100」となっています。

プリンタがパケットを送り出すと、スイッチングハブが受け取ります。

ネットワーク上に存在するスイッチは、ARPリクエストやARPリプライなどのフレームを受け取る際、送信元のMACアドレスとそのMACアドレスが接続されているポートの情報を「MACアドレステーブル」に追加します。

これにより、スイッチングハブは次回以降、同じMACアドレス宛のフレームを適切なポートにのみ転送することが可能になります。このプロセスによってネットワークの効率が向上し、余計なフレームが他のポートに送信されることが防がれるのです。

宛先MACアドレスがオール0であればブロードキャストするのですが、今回はそうではありません。「00:1A:2B:3C:4D:5E」となっています。このMACアドレスをMACアドレステーブルから探すと「ポート番号は4」であることがわかります（この情報は先ほど作られた）。

そこでスイッチングハブは４番のポートにだけパケットを流します。ある特定のポートだけにパケットを流すのがユニキャストの動きです。

4.パケットを受け取る

PCは受け取ったパケットに格納されている送信元MACアドレスを自分のARPテーブルに登録します。スイッチングハブがMACアドレステーブルをできるだけ充実させるように動作するように、ノードもARPテーブルを充実させようとします。

今回は送信元IPアドレスは「192.168.1.102」、送信元MACアドレスは「AB:CD:EF:01:23:45」であることがわかり、対応関係がARPテーブルに登録されました。

これにより、次回以降同じIPアドレスへの通信を行う際には、再度ARPリクエストを行わずにMACアドレスを即座に参照することが可能になるのです。

その後の送信

宛先のMACアドレスを持つ機器（「AB:CD:EF:01:23:45」）がわかれば、その特定の機器に向けてフレームを送信することが可能になります。

このときPCから送られたフレームはスイッチングハブを経由しますが、このスイッチングハブはMACアドレスを学習しているので、目的のMACアドレス（「AB:CD:EF:01:23:45」）を持つ機器に接続されたポートにのみフレームを流します。

以上が、ネットワークインターフェース層におけるPCがMACアドレスを知るまでの流れです。

ARPテーブルの参照と必要に応じたARPリクエストによって、通信相手のMACアドレスを取得し、物理的な通信を実現します。

まとめ

ARPテーブルとMACアドレステーブルはどちらも、ネットワーク内の通信を最適化する重要な要素です。

ARPテーブルはPCやネットワーク機器などがIPアドレスからMACアドレスを素早く見つけるために使用され、MACアドレステーブルはスイッチングハブがデータフレームを適切なポートに転送するために使用されます。

動きが似ているため混同しやすいですが、ARPテーブルは、PCやルータなどのネットワーク機器に存在し、IPアドレスとMACアドレスの対応関係を保持するキャッシュです。

一方でMACアドレステーブルはスイッチングハブに存在し、MACアドレスとそれが接続されている物理ポートの対応関係を管理します。

こうした二つのテーブルの役割が組み合わさることで、ネットワーク全体で効率的かつ迅速な通信が実現されるのです。